基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫智能安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體與微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知、計(jì)算存儲(chǔ)和通信能力的微型傳感器應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和宇航各領(lǐng)域。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器執(zhí)行器、控制器和通信裝置于一體。集傳感與驅(qū)動(dòng)控制能力、計(jì)算能力、通信能力于一身的資源(計(jì)算、存儲(chǔ)和能源)受限的嵌入式設(shè)備。由這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有價(jià)格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點(diǎn)。這里將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入安全保護(hù)系統(tǒng)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，以提高智能倉庫安全保護(hù)系統(tǒng)的整體性能。智能倉庫安全保護(hù)系統(tǒng)具有自身的特點(diǎn)。其傳感器節(jié)點(diǎn)可以有針對(duì)性的預(yù)先布置，因而具有相對(duì)固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信和路由協(xié)議等也具有其特點(diǎn)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮這些問題。

2 智能倉庫安保系統(tǒng)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的感知對(duì)象的信息，并發(fā)給觀察者。應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能倉庫安保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由紅外傳感器、門磁開關(guān)、溫度傳感器、濕度傳感器、煤氣泄漏傳感器、火災(zāi)煙感傳感器、玻璃破碎傳感器等傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。在安保網(wǎng)絡(luò)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，南多個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的無線通信模塊作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，可以和下層網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、采樣，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)，并分析、處理中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令，完成相應(yīng)操作。圖1為單個(gè)智能倉庫安保系統(tǒng)總體框架。

以此為擴(kuò)展，將圖1中的中間節(jié)點(diǎn)作為小節(jié)點(diǎn)(一個(gè)倉庫)，構(gòu)成整個(gè)倉庫區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

傳感器在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。常用的傳感器有火災(zāi)檢測(cè)類的煙感傳感器HIS-07、NIS-09C，感溫傳感器TPS-333、TPS- 334，防盜報(bào)警類的熱釋電紅外線傳感器PIS-209S、RE200B，玻璃破碎傳感器BS-02，門磁開關(guān)傳感器FD系列，煤氣泄漏類的煤氣傳感器 MQ-5、MQ-216等。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，需考慮微型化，擴(kuò)展性和靈活性，穩(wěn)定性和安全性，低成本等。智能倉庫安保系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是基本單位，是智能倉庫安保系統(tǒng)的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要完成數(shù)據(jù)的采集和傳遞功能，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的電源模塊負(fù)責(zé)供給能量，電池的使用時(shí)間決定節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間。考慮到擴(kuò)展性和靈活性，選擇常用的元件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過各功能模塊，實(shí)現(xiàn)正常工作。傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，無線通信和電池等模塊，圖3為其結(jié)構(gòu)。

感溫傳感器根據(jù)物質(zhì)燃燒釋放出的熱量所引起的環(huán)境溫度升高或其變化率大小，并通過熱敏元件與電子線路來探測(cè)火災(zāi)。
4．3 煤氣報(bào)警信號(hào)采集
液化氣(俗稱煤氣)是碳原子數(shù)為4的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，其主要成分是甲烷。采用煤氣傳感器能有效檢測(cè)是否有煤氣泄漏，并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

5 智能倉庫安保系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括節(jié)點(diǎn)軟件和控制PC軟件兩部分。節(jié)點(diǎn)軟件主要用于實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，控制能量消耗，控制節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等。
控制PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過處理子程序顯示并存儲(chǔ)在上位機(jī)，控制節(jié)點(diǎn)功耗．實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)境。節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示，控制PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

6 結(jié)束語
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫安保系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)倉庫的安全環(huán)境。該系統(tǒng)組網(wǎng)方便靈活，容易升級(jí)，價(jià)格低廉，也適用于其他的類似應(yīng)用?？蓪?duì)倉庫的火災(zāi)報(bào)警，防盜，煤氣泄漏等一系列不安全事件進(jìn)行有效監(jiān)控。一旦發(fā)生威脅安全的事件，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警。管理人員立即就可以知道并采取有效措施，對(duì)安全事故進(jìn)行緊急處理，避免人員財(cái)產(chǎn)損失。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)藏倉庫內(nèi)搭建的小型安保系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安保系統(tǒng)具有很高的安全性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)升級(jí)方便，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。

3．1 數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心。所有設(shè)備控制，任務(wù)調(diào)度，能量計(jì)算和功能協(xié)調(diào)，通信協(xié)議，數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序都在該模塊的支持下完成。所以處理器的選擇在傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用的處理器應(yīng)盡量滿足：外形小，集成度高，功耗低且支持睡眠模式，運(yùn)行速度要盡量快，要有足夠的外部通用端口和通信接口，成本低，有安全性保證等。
目前使用較多的TI公司的MSP430超低功耗系列處理器，不僅功能完整，集成度高，而且根據(jù)存儲(chǔ)容量提供多種引腳兼容的處理器，使開發(fā)者容易根據(jù)應(yīng)用對(duì)象平滑升級(jí)系統(tǒng)。這里采用MSP430F149型處理器。供電電壓僅1．8～3．6 V，具有16位RISC結(jié)構(gòu)、125 ns指令同周期、多達(dá)60 KB Flash ROM和2 KB RAM。另外該器件還配有：12位200 kS／s的MD轉(zhuǎn)換器(自帶采樣保持)、內(nèi)部溫度傳感器、具有3個(gè)捕獲／比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A／Timer__B、2個(gè)串口(工作于 UART或SPI模式)、6個(gè)8位并口(2個(gè)具有中斷能力)和硬件乘法器，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)緊湊且高效。其豐富的尋址方式。簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令。較高的處理速度，大量的寄存器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使之具有強(qiáng)大的處理能力，豐富的器件內(nèi)外設(shè)接口可簡(jiǎn)化整個(gè)電路設(shè)計(jì)，減少節(jié)點(diǎn)功耗和體積，非常適于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。
3．2 無線通信模塊
無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)無線通信。交換控制信息，收集采集數(shù)據(jù)。另外，通信模塊消耗的能量在傳感器節(jié)點(diǎn)中占主要部分，所以考慮無線通信模塊的工作模式和收費(fèi)能耗很重要。無線收發(fā)器件采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功耗和操作周期等都是影響通信能量消耗的關(guān)鍵因素。選擇無線收發(fā)器件時(shí)應(yīng)考慮功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)器件所需外圍元件數(shù)，以及器件成本等因素。
這里采用CC2420型無線收發(fā)器。CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2．4 Hz IEEE 802．15．4的無線收發(fā)器。CC2420基于的SmartRF03技術(shù)，采用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，集成度高。CC2420是首款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)型射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層協(xié)議符合IEEE 802．15．4規(guī)范，工作于免授權(quán)的2．4 GHz頻段。利用此器件開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小，適于電池長(zhǎng)期供電；并具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供理想的解決方案。

4 信號(hào)采集
4．1 傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集
任何有溫度的物體都在不斷向外界輻射紅外線，人體表面溫度一般在37°C，其大部分輻射能量集中在10μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)。如果把人的紅外輻射直接照射在熱釋電紅外傳感器上也會(huì)引起溫度變化而輸出信號(hào)，但探測(cè)距離不夠遠(yuǎn)。為加長(zhǎng)探測(cè)距離，需附加光學(xué)系統(tǒng)來收集紅外輻射，通常采用塑料菲涅爾透鏡作為紅外輻射的聚焦系統(tǒng)。
門磁開關(guān)傳感器實(shí)際上是一個(gè)干簧管，它由兩個(gè)靠得很近的金屬彈簧片構(gòu)成。這兩個(gè)金屬彈簧片為軟磁性材料，當(dāng)干簧管靠近磁場(chǎng)時(shí)，金屬彈簧片被磁化，相互吸引、接觸，當(dāng)干簧管遠(yuǎn)離磁場(chǎng)時(shí)彈簧片失去磁性，由于彈力作用兩個(gè)金屬彈簧片分開，發(fā)出信號(hào)。玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出特定聲波。玻璃破碎傳感器主要根據(jù)聲波作出報(bào)警。該方法是防止非法入侵的一種輔助手段，是否安裝視具體情況而定。
4．2 火災(zāi)報(bào)警信號(hào)采集
物質(zhì)燃燒過程中，一般都有熱(溫度)、氣體與煙霧、火焰等現(xiàn)象產(chǎn)生，針對(duì)不同現(xiàn)象有不同火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)方法。離子感煙傳感器利用放射性元素產(chǎn)生的射線，并檢測(cè)空氣電離產(chǎn)生的微電流。
目前大部分離子感煙傳感器采用單源雙室丁作，即采用1個(gè)放射源，2個(gè)工作室，分別為參考室和探測(cè)室。沒有煙霧進(jìn)入探測(cè)室時(shí)，兩室的微電流保持平衡：當(dāng)煙霧進(jìn)入探測(cè)室時(shí)，探測(cè)室電流發(fā)生變化。平衡被破壞，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)送到一個(gè)正反饋電路，產(chǎn)生報(bào)警。